JP5370308B2 - Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, and semiconductor device mounting method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子を備えた半導体装置並びに、その製造方法及び実装方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor element, and a manufacturing method and a mounting method thereof.
トランジスタやダイオード等の半導体チップ、及びその駆動を制御するためのチップを、リードフレームに実装し、これらのチップ間並びにチップとリードフレームとの間をワイヤボンディングで接続した後、それらのチップ及びワイヤを樹脂で封止した半導体装置が知られている。リードフレームの形状を工夫して樹脂の流れを調整する技術、封止後の半導体装置に放熱部材を設ける技術等も知られている。 A semiconductor chip such as a transistor or a diode and a chip for controlling driving thereof are mounted on a lead frame, and these chips and wires are connected between these chips and between the chip and the lead frame by wire bonding. A semiconductor device in which is sealed with resin is known. A technique for adjusting the flow of the resin by devising the shape of the lead frame, a technique for providing a heat dissipation member in the semiconductor device after sealing, and the like are also known.
上記のようなリードフレームを用いた半導体装置では、形成する半導体装置の種類ごと、即ち、リードフレームに実装する半導体チップの種類ごとに、リードフレームの設計及び加工を行わなければならない。また、このようなリードフレームを用いた半導体装置では、リードフレームへの半導体チップを実装した後にそれを樹脂で封止するが、実装する半導体チップの形状、個数、配置等によっては、たとえリードフレームの形状を工夫しても、樹脂を細部にまで充填することが難しい場合がある。 In a semiconductor device using a lead frame as described above, the lead frame must be designed and processed for each type of semiconductor device to be formed, that is, for each type of semiconductor chip mounted on the lead frame. In a semiconductor device using such a lead frame, the semiconductor chip is mounted on the lead frame and then sealed with resin. Depending on the shape, number, arrangement, etc. of the semiconductor chip to be mounted, the lead frame may be Even if the shape is devised, it may be difficult to fill the resin with details.
また、半導体チップをリードフレームに実装し、ワイヤボンディングによる接続をして、更には樹脂で封止してからでないと、半導体装置の試験ができない。一般に、樹脂封止前は、リードフレームのアウターリードがタイバーによって連結されているため、外部導出端子が独立していない。よって、樹脂封止をした後、アウターリードをタイバーから切り離した後でなければ、電気的な試験ができないという課題がある。 Further, the semiconductor device cannot be tested unless the semiconductor chip is mounted on the lead frame, connected by wire bonding, and further sealed with resin. In general, before resin sealing, the outer lead of the lead frame is connected by a tie bar, so the external lead-out terminals are not independent. Therefore, there is a problem that an electrical test cannot be performed unless the outer lead is separated from the tie bar after resin sealing.
たとえ検査済みの良品の半導体チップをリードフレームに実装したとしても、実装工程やワイヤボンディング工程、あるいは樹脂封止工程等でチップが損傷した場合は、樹脂封止後の試験でその不良が判明することになる。 Even if a good semiconductor chip that has been inspected is mounted on a lead frame, if the chip is damaged during the mounting process, wire bonding process, resin sealing process, etc., the defect is revealed by a test after resin sealing. It will be.
特許文献1のように、多数の半導体チップを1つのパッケージに封入する場合には、封入されたチップのうち1つでも異常があると、良品チップも含めてそのパッケージ全体が不良となってしまうという問題がある。
When a large number of semiconductor chips are encapsulated in one package as in
本発明の一観点によれば、放熱部材と、前記放熱部材の一方の主面上に形成され、導体層と絶縁層とからなる配線層と、前記導体層に接続される外部導出端子と、電流を通流及び遮断するスイッチング機能と、前記スイッチング機能に比して電流容量が小さく、前記電流を遮断する方向とは逆方向に導通する機能とを併せ持つ半導体チップを樹脂封止してなる第1の半導体素子と、前記第1の半導体素子を駆動するための駆動回路を集積した半導体チップを樹脂封止してなる第2半導体素子と、を備え、前記絶縁層から露出した導体層に、前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子を実装し、インバータ装置としてコンプレッサーに接続されることを特徴とする半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a heat dissipating member, a wiring layer formed on one main surface of the heat dissipating member and including a conductor layer and an insulating layer, an external lead terminal connected to the conductor layer, A semiconductor chip formed by resin-sealing a semiconductor chip having both a switching function for passing and blocking current and a function for reducing current capacity compared to the switching function and conducting in a direction opposite to the direction for blocking current . 1 semiconductor element and a second semiconductor element formed by resin-sealing a semiconductor chip in which a driving circuit for driving the first semiconductor element is integrated, and a conductor layer exposed from the insulating layer, A semiconductor device is provided in which the first semiconductor element and the second semiconductor element are mounted and connected to a compressor as an inverter device .
本発明によれば、多様な高品質の半導体装置を効率的に得ることが可能になる。 According to the present invention, various high-quality semiconductor devices can be obtained efficiently.
まず、第1の実施の形態について説明する。
図1は第1の実施の形態に係る半導体装置の説明図である。ここで、図1(A)は第1の実施の形態に係る半導体装置の外観模式図、図1(B)は(A)の一点鎖線L1に沿った断面に相当する模式図である。
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is an explanatory diagram of the semiconductor device according to the first embodiment. Here, FIG. 1A is a schematic external view of the semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic view corresponding to a cross section taken along a dashed line L1 in FIG.
図1に示す半導体装置1は、放熱部材10、配線層20、及び半導体素子30,40を有している。
放熱部材10には、例えば、一定の熱伝導性を有する板が用いられる。熱伝導性の観点から、放熱部材10には、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金等の金属板を用いることができる。また別の観点から、後述のように、配線層20を形成するために、少なくとも1つの主面は平坦な形状とすることができる。
A
For the
このような放熱部材10の一主面上に、配線層20が形成されている。ここでは一例として、多層配線の配線層20を示している。
図1(A)に示すように、配線層20の所定の位置に半導体素子30,40が実装されている。尚、配線層20には、半導体素子30,40への入出力端子が設けられているが、図1(A),(B)においては図示を省略する。
A
As shown in FIG. 1A,
配線層20は、配線及びビアによって所定の回路を構成する回路パターン21(導体層)と、回路パターン21の周りに設けられた絶縁層22とを有している。回路パターン21(配線、ビア)は、例えば、銅や銅を含む材料等を用いて形成することができる。絶縁層22は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、或いはガラス繊維や炭素繊維にエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させたプリプレグ等を用いて形成することができる。
The
配線層20上には、ここでは一例として、スイッチング素子を含む半導体素子30と、半導体素子30の駆動を制御する制御素子(制御回路)を含んだ半導体素子40との、2種類の半導体素子が実装され、回路パターン21に電気的に接続されている。
On the
ここで、図2はスイッチング素子を含む半導体素子の例を示す図であって、(A)は半導体素子30の第1の例の模式図、(B)は(A)のL2−L2断面の模式図、(C)は半導体素子30の第2の例の模式図、(D)は(C)のL3−L3断面の模式図である。
Here, FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a semiconductor element including a switching element, in which (A) is a schematic diagram of a first example of the
半導体素子30は、例えば、図2(A),(B)に示すように、スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)31を含んでいる。半導体素子30には、このIGBT31と共に、一方向に電流を流す整流素子であるフリーホイーリングダイオード(Free Wheeling Diode;FWD)32が、IGBT31と逆並列に接続されるように、リードフレーム33に実装されている。
The
IGBT31,FWD32は、リードフレーム33のダイパッド33a上に実装され、更にワイヤ37によって、リードフレーム33の端子34a,34bに電気的に接続されている。端子34a,34bは、例えば、IGBT31のゲート(G)、エミッタ(E)に電気的に接続されている。また、ダイパッド33aには、IGBT31のコレクタ(C)が電気的に接続されている。IGBT31,FWD32は、封止樹脂35(点線で図示)で封止され、図2(A),(B)及び上記図1(B)に示したように、端子34a,34b,34c(ダイパッド33aの裏面)は、封止樹脂35から部分的に露出する。
The IGBTs 31 and FWD 32 are mounted on the
このように、FWDを逆並列に備えるスイッチング素子はIGBTに限るものではない。例えば、パワートランジスタでもよいし、MOSFET(電界効果トランジスタ:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の素子を用いてもよい。あるいは、MOSFETとして、SiC MOSFET(炭化珪素MOSFET:Silicon Carbide MOSFET)を用いてもよい。 Thus, the switching element provided with FWD in antiparallel is not limited to the IGBT. For example, a power transistor or an element such as a MOSFET (Metal Oxide Field Field Effect Transistor) may be used. Alternatively, a SiC MOSFET (silicon carbide MOSFET) may be used as the MOSFET.
また、半導体素子30は、例えば、図2(C),(D)に示すように、スイッチング素子として、逆方向への導通機能を備えた1つのチップで構成することもできる。図2(C),(D)では、逆方向への導通機能を有するスイッチング素子として、RC−IGBT(逆導通IGBT:Reverse Conducting IGBT)36を適用した。このほか、逆方向への導通機能を備えたスイッチング素子としては、MOSFET或いはSiCMOSFETの寄生ダイオードを用いる構成としてもよい。
Moreover, the
ここで、逆方向への導通機能として、MOSFETあるいはSiCMOSFETの寄生ダイオードを用いるか、FWDを逆並列接続するかは、適用する負荷によって、FWDに要求される責務に応じて選定すればよい。 Here, as a conduction function in the reverse direction, whether to use a parasitic diode of MOSFET or SiCMOSFET or to connect the FWD in reverse parallel may be selected according to the duty required for the FWD depending on the load to be applied.
図2(C),(D)の場合も上記同様、RC−IGBT36は、封止樹脂35で封止され、そのRC−IGBT36のゲート(G)、エミッタ(E)、コレクタ(C)に電気的に接続された端子34a,34b,34c(ダイパッド33aの裏面)は、図2(C)(D)及び上記図1(B)に示したように、封止樹脂35から部分的に露出する。
2C and 2D, similarly to the above, the RC-
また、このような半導体素子30を駆動する駆動回路を集積した制御ICとしての半導体素子40も同様に、図1(B)に示したように、その制御素子に電気的に接続された端子41a,41bが部分的に露出するように、封止樹脂で封止されている。
Similarly, the
尚、図1(A)では、半導体素子30の端子34a,34b,34c、及び半導体素子40の端子41a,41bの図示を省略している。
この半導体装置1では、一例として、上記のような構成を有する半導体素子30を6個、半導体素子40を2個用いて、直流電力を交流電力に変換して3相交流モータ等に供給するインバータ回路が構成されている。
In FIG. 1A, the
In this
図3は第1の実施の形態に係る半導体装置の回路図の一例である。
図3に示すインバータ回路100は、スイッチング素子として6個の半導体素子30を用い、図示のごとく3相ブリッジ回路を構成する。
FIG. 3 is an example of a circuit diagram of the semiconductor device according to the first embodiment.
The
6個のスイッチング素子(半導体素子30内のIGBT31或いはRC−IGBT36)のスイッチング動作は、2個の半導体素子40によって行われる。ここでは、高電圧側(P側)の3個のIGBTのスイッチング動作が一方の半導体素子40で制御され、低電圧側(N側)の3個のIGBTのスイッチング動作がもう一方の半導体素子40で制御されるようになっている。
The switching operation of the six switching elements (the
ここで、6個のスイッチング素子(半導体素子30)のすべてを駆動する駆動回路を1つの半導体素子40に集積すれば、半導体素子40は1つでよい。
或いは、スイッチング素子(半導体素子30内のIGBT31或いはRC−IGBT36)の駆動回路を集積した駆動IC(半導体素子40)を、高電圧側(P側)の3個半導体素子30に対してそれぞれ設けてもよい。
Here, if a driving circuit for driving all of the six switching elements (semiconductor elements 30) is integrated in one
Alternatively, a drive IC (semiconductor element 40) in which drive circuits of switching elements (
各IGBTに接続されたFWDは、IGBTのスイッチングに伴って、負荷電流をIGBTに転流させる、或いはサージ電流や回生電流を還流させる役割を果たす。
半導体装置1では、配線層20上に上記のような6個の半導体素子30と2個の半導体素子40とが実装されたときに、図3のようなインバータ回路100が構成されるように、予め配線層20の回路パターン21が形成されている。
The FWD connected to each IGBT plays a role of causing a load current to commutate to the IGBT or a surge current and a regenerative current to be circulated as the IGBT is switched.
In the
半導体素子30,40は、図1(B)に示したように、配線層20の回路パターン21上に、例えば、半田等の接合部材50を介して、接合される。半導体素子30は、その端子34a,34b,34cが配線層20の回路パターン21に接合部材50を介して接合され、半導体素子40は、その端子41a,41bが配線層20の回路パターン21に接合部材50を介して接合される。尚、図1(A)では、接合部材50の図示を省略している。
As shown in FIG. 1B, the
半導体素子30に上記のようなIGBTを用いている場合には、その発熱量が比較的大きい。そのため、配線層20には、図1(B)に示したように、接合される半導体素子30と対向する部分に、比較的大体積のビア状の回路部21Aを形成しておくことが好ましい。例えば、図1(B)に示したように、半導体素子30のIGBTのコレクタ(C)に電気的に接続されている端子34cが接合される回路部21Aを、半導体素子30と対向する領域に広がる比較的大きな面積で、放熱部材10側に向かって厚く、形成する。それにより、半導体素子30で発生した熱を、大体積の回路部21Aに素早く、広範囲に伝熱させて、放熱部材10側に逃すことが可能になる。
When the IGBT as described above is used for the
続いて、上記のような構成を有する半導体装置1の形成方法について説明する。
まず、配線層20の形成工程について説明する。図4は配線層形成工程の一例の説明図である。
Next, a method for forming the
First, the formation process of the
はじめに、図4(A)に示すように、樹脂やプリプレグ等の絶縁層22aに貫通孔を形成し、そこに導電ペースト等の導電材料を充填してビア21aを形成する。ビア21aは、上記した大体積の回路部21Aを形成する領域に形成するほか、異なる層の配線間の接続に必要となる部分にも形成する。
First, as shown in FIG. 4A, a through hole is formed in an insulating
次いで、ビア21aを形成した絶縁層22a上に銅等の箔を貼り付け、それをエッチング等によりパターニングすることで、図4(B)に示すような配線21bを形成する。この図4(B)で形成する配線21bは、回路部21Aを形成する領域を含む領域上、及び、形成する配線層20の回路パターン21に応じた所定の領域に形成する。
Next, a foil such as copper is attached to the insulating
次いで、図4(A)と同様にして回路部21Aを形成する領域と、他の所定の部分とにビア21cを形成した絶縁層22bを準備する。そして、そのビア21cを形成した絶縁層22bを、図4(C)に示すように、先に図4(B)で得られた構造体の配線21b側に、熱プレス等により貼り合わせる。それにより、図4(D)に示したような構造体を得る。
Next, as in FIG. 4A, an insulating
次いで、図4(D)で得られた構造体の表裏面に銅等の箔を貼り付け、それをエッチング等によりパターニングすることで、表裏面の所定領域にそれぞれ、図4(E)に示すような配線21d,21eを形成する。表面側の配線21dは、回路部21Aを形成する領域を含む領域に形成する。裏面側の配線21eは、形成する配線層20の回路パターン21に応じた所定の領域に形成する。尚、配線21d,21eを形成するために貼り付ける箔は、例えば、表面側に裏面側よりも厚いものを用いる。
Next, a foil such as copper is attached to the front and back surfaces of the structure obtained in FIG. 4D, and is patterned by etching or the like, so that each of the predetermined regions on the front and back surfaces is shown in FIG. 4E.
ここで、配線層を形成する箔としては、例えば、厚さが、18μm,35μm,70μm,105μm,175μm,300μm,400μm,500μm,800μmの銅箔が入手しやすいものであり、放熱,電流容量等を勘案して、所望の厚さのものを組み合わせて用いればよい。 Here, as the foil for forming the wiring layer, for example, copper foils having thicknesses of 18 μm, 35 μm, 70 μm, 105 μm, 175 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, and 800 μm are easily available. In consideration of the above, a desired thickness may be used in combination.
これまでの工程により、配線層20の基本構造を完成させる。即ち、後述のようにして半導体素子30,40を実装したときに、ここでは上記の図3に示したようなインバータ回路100が構成されるような回路パターン21(配線21b,21d,21e及びビア21a,21c)を形成した構造体を得る。
The basic structure of the
次いで、図4(F)に示すように、放熱部材10上に樹脂等の絶縁層22cを形成し、図4(A)〜(E)の工程を経て得られた構造体の裏面側(配線21e側)を、その絶縁層22cに貼り合わせる。これにより、図1(B)に示したような、放熱部材10上に、回路パターン21(配線21b,21d,21e及びビア21a,21c)と、回路パターン21の周りに設けられた絶縁層22(絶縁層22a,22b,22c)とを有する、配線層20が形成される。
Next, as shown in FIG. 4F, an insulating
続いて、半導体素子30,40の実装工程について説明する。図5は半導体素子実装工程の一例の説明図である。
上記のようにして放熱部材10上に配線層20を形成した後は、その配線層20の表面側に、半導体素子30,40を実装する。半導体素子30,40は、半田等の接合部材50を用いて、配線層20上に実装する。
Subsequently, a mounting process of the
After the
例えば、図5(A)に示すように、配線層20の表面側に露出する配線21d及びビア21cの上に、接合部材50を配置し、更に半導体素子30,40を配置する。そして、接合部材50を溶融し、冷却して凝固させることで、図5(B)に示すように半導体素子30,40を配線層20に接合する。
For example, as shown in FIG. 5A, the bonding
その際、半導体素子30は、IGBTのゲート(G)、エミッタ(E)に接続された端子34a,34bを、配線層20表面のビア21cに接合部材50を用いて接合し、IGBTのコレクタ(C)に接続された端子34cを、配線層20表面の配線21dに接合部材50を用いて接合する。このとき、半導体素子30は、大体積の回路部21Aの上方に配置されることになるため、半導体素子30で発生した熱は、回路部21Aを介して、効率的に放熱部材10側に伝熱するようになる。また、半導体素子40は、端子41a,41bを、配線層20表面のビア21cに接合部材50を用いて接合する。
At that time, the
半導体素子30,40は、配線層20上に一括で実装することができる。また、半導体素子30,40のいずれか一方を先に配線層20上に実装した後、もう一方を配線層20上に実装することも可能である。
The
尚、ここでは、半導体素子30の端子34a,34b、及び半導体素子40の端子41a,41bを、配線層20のビア21cに接合する方法を例示したが、このほか、次の図6に示すような方法を用いることもできる。
Here, the method of joining the
図6は半導体素子実装工程の別例の説明図である。
例えば、図4(B)の工程に続き、配線21bの形成まで行った構造体に対し、図6(A)に示すように、回路部21Aを形成する領域を除く領域にはビア21cを形成していない絶縁層22bを貼り合わせ、図6(B)に示すような構造体を得る。そして、図6(C)に示すように、配線21dを形成した後、絶縁層22bを貫通して下層の配線21bに達するビアホール23を形成する。その後、配線21eを形成し、できた構造体を、図6(D)に示すように、放熱部材10上に形成した絶縁層22cに貼り合わせる。
FIG. 6 is an explanatory diagram of another example of the semiconductor element mounting process.
For example, as shown in FIG. 6A, a via 21c is formed in a region excluding the region where the
半導体素子30,40を実装する際には、図6(E)に示すように、半導体素子30の端子34a,34bを、ビアホール23から露出する配線21bに接合部材50を用いて接合し、端子34cを、配線層20表面の配線21dに接合部材50を用いて接合する。また、半導体素子40の端子41a,41bを、ビアホール23から露出する配線21bに接合部材50を用いて接合する。
When mounting the
この図6に示すような方法を用いて半導体装置1を形成することも可能である。
以上述べたように、予め所定の回路パターン21を有する配線層20を形成しておき、その上に半導体素子30,40を実装することで、所定の回路、ここでは上記の図3に示したようなインバータ回路100を有する半導体装置1を得る。半導体装置1では、配線層20へ実装される前に個別にパッケージングされた半導体素子30,40を用いている。このため、半導体素子30,40を配線層20へ実装した時点で、半導体装置1として、即ち、図3の例ではインバータ回路として動作が可能となる。
It is also possible to form the
As described above, the
半導体素子30,40は、実装前に個別にパッケージングされているため、それぞれ試験を行うことができる。この試験に基づいて半導体素子30,40の良品のみを配線層20に実装することができる。
Since the
また、半導体素子30,40の実装後にワイヤボンディング等の接続工程や、樹脂封止工程がないので、かかる工程に起因する不良は発生することが無い。
また、ここではインバータ回路100を例にして説明したが、配線層20に予め形成する回路パターン21と、実装する半導体素子30,40を変更することで、所望の回路構成を実現することができ、様々な半導体装置1を得ることが可能である。回路パターン21の変更や、半導体素子30,40の変更等にも、柔軟に対応することができる。封止を伴う、リードフレームを用いた半導体装置の形成方法に比べ、効率的且つ柔軟に、様々な形態の半導体装置1を形成することができる。
Further, since there is no connection process such as wire bonding or a resin sealing process after the
Although the
尚、以上の説明では、インバータ回路を有する半導体装置1を例に挙げ、そのインバータ回路の構成要素として、スイッチング素子と逆並列に、FWDを接続する場合について述べた。FWDを設けるにあたっては、半導体装置1に生じ得る還流の程度に応じた特性のダイオードを選定し、半導体素子30のパッケージ内に設けることになる。
In the above description, the
例えば、電動機を可変速駆動するインバータ装置に適用した場合、スイッチング時に主電流の転流や、電動機からの回生モードにおける回生電流が流れるので、FWDにはこれらの電流が流れた場合でも損失が低い、等の特性が求められる。 For example, when applied to an inverter device that drives an electric motor at a variable speed, a commutation of a main current at the time of switching and a regenerative current in a regenerative mode from the motor flow, so even if these currents flow through the FWD, the loss is low , Etc. are required.
一方、コンプレッサーを負荷とするインバータ装置に適用した場合、コンプレッサー負荷からは回生モードの電流がほとんど発生しない。スイッチング時に主電流が転流するわずかな電流しか流れないので、コンプレッサーを負荷とするインバータ装置に適用する場合は、FWDの責務は軽い。よって電動機の可変速駆動等を行うインバータ装置に適用する場合に比べて、チップサイズや電流容量が小さなダイオードを用いることができる。コンプレッサーの用途としては、空気調和機(エアコン),冷蔵庫等があり、省エネルギーの観点から、これらの用途においてインバータによるきめ細かい制御を行うニーズが高まっている。 On the other hand, when applied to an inverter device having a compressor as a load, the current in the regenerative mode is hardly generated from the compressor load. Since only a small amount of current that commutates the main current flows at the time of switching, the duty of the FWD is light when applied to an inverter device having a compressor as a load. Therefore, a diode having a small chip size and current capacity can be used as compared with a case where the present invention is applied to an inverter device that performs variable speed driving of an electric motor. Applications of compressors include air conditioners (air conditioners), refrigerators, and the like. From the viewpoint of energy saving, there is an increasing need for fine control by inverters in these applications.
このように、FWDの責務が軽いコンプレッサー等の負荷に適用するインバータ装置には、図1(A)に示すような半導体素子30にFWD32の搭載を省略し、図1(B)に示すように、RC−IGBTやMOSFETの1チップを搭載した半導体素子30を用いるようにしてもよい。
As described above, in the inverter device applied to a load such as a compressor whose FWD duty is light, the mounting of the
このとき、RC-IGBTの逆導通用のダイオードは、上記の通り責務が軽いので、チップ面積に対するダイオードの領域は小さくアレンジしたものを用いればよい。
半導体素子30に1チップのデバイスを適用することにより、図2(C),(D)に示すように、ダイパッド33aの面積を有効に活用することができる。つまり、図2(A),(B)のようにFWD32を搭載していた部分についてもIGBTやMOSFET等のスイッチング素子の実装領域として使用することができる。言い換えると、同じ実装面積であれば大型のIGBTを搭載して、電流容量を大きくすることができるし、電流容量が小さくてもよければ、実装面積を小さくして、半導体素子30を小型にすることができる。
At this time, the reverse conduction diode of the RC-IGBT has a light duty as described above, and therefore, a diode with a small arrangement with respect to the chip area may be used.
By applying a one-chip device to the
また、以上の説明では、放熱部材10として平板のものを用いた。これは、少なくとも一方の主面は平坦であった方が、配線層20を形成するのが容易であり、半導体素子30,40を実装するのが容易であるためである。
In the above description, a flat plate is used as the
また、放熱部材10の他方の主面には、次の図7に示すように、複数のフィン11を設けたものを用いることも可能である。尚、フィン11には、板状、波板状、ピン状等、種々の形態のものを適用することが可能である。
Further, as the other main surface of the
これらのフィン11は、放熱部材10の他方の主面(半導体素子30,40を実装する面とは反対の主面)を研削して形成してもよいし、嵌設してもよい。或いは、一方の主面が平坦で、他方の主面にフィン11を形成するような型枠に、無垢材を通過させて押し出し形成してもよい。
These
また、以上の説明では、3層構造の回路パターン21を有する配線層20を例示したが、配線層20の層数及び回路パターン21は、この例に限定されるものではない。半導体装置1に形成する回路構成に応じ、所定の層数及び回路パターン21の配線層20を形成すればよい。
In the above description, the
多層の回路パターンを用いることで、配線の自由度が増し、図示した以外の半導体素子の配置が可能である。また、図1では図示を省略した半導体装置1の外部導出端子のレイアウトも自在となる。 By using a multilayer circuit pattern, the degree of freedom of wiring increases, and semiconductor elements other than those shown in the figure can be arranged. In addition, the layout of the external lead-out terminals of the semiconductor device 1 (not shown in FIG. 1) is also free.
このとき、半導体素子30の直下は、絶縁が保てる範囲で可能な限り薄い絶縁層を介して放熱部材10に接するのが放熱の面で有利である、そのため、半導体素子30の直下は端子34c(ダイパッド33aの裏面)が接続される回路パターンと絶縁層のみを配置し、他の回路パターンを配置しないようにするとよい。
At this time, it is advantageous in terms of heat dissipation that the portion immediately below the
次に、第2の実施の形態について説明する。
図8は第2の実施の形態に係る半導体装置の説明図である。
図8に示す半導体装置60は、インバータ回路100を構成する、スイッチング素子を含んだ6個の半導体素子30、及びそれらの制御を行う2個の半導体素子40のほかに、更に別の半導体素子が実装されて所定の回路が構成される領域(回路領域)ARを有している。第2の実施の形態に係る半導体装置60は、このような回路領域ARを有している点で、上記第1の実施の形態に係る半導体装置1と相違する。
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the semiconductor device according to the second embodiment.
The
半導体装置60の回路領域ARには、種々の回路を構成することができる。例えば、回路領域ARには、整流回路、ブレーキ回路、突入電流抑制回路、センサ回路、制御回路等を構成することができる。
Various circuits can be configured in the circuit region AR of the
図9は第2の実施の形態に係る半導体装置の回路図の一例である。
図9には、インバータ回路100に、整流回路110、ブレーキ回路120、突入電流抑制回路130、センサ回路140、制御回路150が付加された回路を例示している。これらの各種回路は、半導体装置60の用途に応じて組み入れればよい。
FIG. 9 is an example of a circuit diagram of the semiconductor device according to the second embodiment.
FIG. 9 illustrates a circuit in which a
インバータ回路100は、図8に示すように、配線層20の所定の回路パターン21上に実装された半導体素子30,40によって形成される。
同様に、整流回路110は、図8の回路領域ARの所定の回路パターン上に複数の整流素子(ダイオード)を実装して構成する。そして、図示しない交流電源から供給される交流電力を整流して直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路100側に供給する。
As shown in FIG. 8, the
Similarly, the
図8では図示を省略しているが、整流回路を構成するダイオードも、図1(B)に示すように、予め樹脂封止されているものを用いる。或いは、入力の相数(単相、3相等)に応じて、また、全波整流か半波整流かに応じて、接続するダイオードの数を選択し、個別に封止したものを用いてもよいし、ブリッジ接続した状態で樹脂封止したものを用いてもよい。 Although not shown in FIG. 8, a diode that constitutes a rectifier circuit is a resin-encapsulated diode as shown in FIG. Alternatively, depending on the number of input phases (single phase, three phase, etc.), and depending on whether full-wave rectification or half-wave rectification, the number of diodes to be connected can be selected and individually sealed. Alternatively, a resin-sealed one that is bridge-connected may be used.
半導体素子30,40、更に整流回路110用のダイオード等を面実装型のパッケージで形成しておけば、これらを配線層20の所定の回路パターンに配置して、リフローはんだ付けにより、一括して接合・接続を行うことができる。
If the
ブレーキ回路120は、整流素子(ダイオード)とスイッチング素子(トランジスタ)を組み合わせた構成を有し、例えば、半導体装置60の出力側がモータに接続されているような場合に、そのモータの回生動作時に発生するエネルギーによる電圧上昇を抑制する。
The
突入電流抑制回路130は、サイリスタを有し、直流中間コンデンサの突入電流を抑制する。尚、突入電流抑制回路130には、このようなサイリスタに替えて、充電抵抗とメカニカルリレーの並列回路を用いることもできる。
The inrush
センサ回路140は、例えば、温度検出用のサーミスタを有し、その検出信号は、例えば、半導体素子40或いは制御回路150に送られる。
制御回路150は、半導体素子30を制御する半導体素子40の駆動を制御するための制御回路である。
The
The
半導体装置60の回路領域ARには、このような整流回路110、ブレーキ回路120、突入電流抑制回路130、センサ回路140、制御回路150が、半導体装置60の用途等に応じ、全部或いは少なくとも1つ、形成される。
In the circuit area AR of the
整流回路110、ブレーキ回路120、突入電流抑制回路130、センサ回路140、制御回路150はそれぞれ、1個又は複数個の半導体素子と、当該半導体素子が実装される配線層20の回路パターンによって実現することができる。半導体装置60に所望の回路が構成されるように、ダイオード、トランジスタ、サーミスタ等の半導体素子が所定数選択され、当該半導体素子が実装される回路パターンを有する配線層20が形成される。配線層20の回路パターンは、半導体装置60の回路構成に応じ、上記図4或いは図6の例に従って形成することができる。
The
上述の通り、これらの各種回路を構成する部品も、面実装型のパッケージで形成しておけば、これらを配線層20の所定の回路パターンに配置して、リフローはんだ付けにより、一括して接合・接続を行うことができる。
As described above, if the components constituting these various circuits are also formed in a surface mount type package, they are arranged in a predetermined circuit pattern of the
半導体装置60を形成する際には、まず、放熱部材10上に、インバータ回路100用の上記回路パターン21と、半導体装置60の回路構成に応じた回路領域ARの回路パターンとを、上記図4或いは図6の例に従って形成する。そして、その配線層20上に、インバータ回路100用の半導体素子30,40と共に、更に付加される回路用の半導体素子を実装する。付加される回路用の半導体素子は、半導体素子30,40と同様、半田等の接合部材を介して配線層20上に実装される。
When the
このような半導体装置60の場合も、上記第1の実施の形態に係る半導体装置1と同様、配線層20に予め形成する回路パターンと、実装する半導体素子とを変更することで、所望の回路構成を実現することができ、様々な半導体装置60を得ることが可能である。また、パッケージングされた半導体素子を用いることができるため、封止を伴う、リードフレームを用いた半導体装置の形成方法に比べ、効率的且つ柔軟に、様々な形態の半導体装置60の形成に対応することが可能である。
In the case of such a
次に、第3の実施の形態について説明する。
図10は第3の実施の形態に係る半導体装置の説明図である。
図10(A)に示すように、半導体装置70は、3個の半導体素子80を有している。この半導体装置70では、これら3個の半導体素子80を用いて、上記図3に示したようなインバータ回路100を構成している。この第3の実施の形態に係る半導体装置70は、このような点で、上記第1の実施の形態に係る半導体装置1と相違する。
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 10 is an explanatory diagram of the semiconductor device according to the third embodiment.
As shown in FIG. 10A, the
半導体装置70に用いる各半導体素子80は、図10(B)に示すように、IGBT等の2つのスイッチング素子と、それら2つのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたFWD等の整流素子、及び2つのスイッチング素子の駆動を制御する制御素子(制御回路)を含んでいる。
As shown in FIG. 10B, each
半導体素子80は、スイッチング素子、整流素子、制御素子をそれぞれ別個のチップとして有していても、スイッチング素子及び整流素子を集積したチップと制御素子のチップとをそれぞれ有していても、或いは、スイッチング素子、整流素子及び制御素子をすべて集積したチップを有していてもよい。このようなチップが封止樹脂で封止されて、半導体素子80が構成されている。
The
尚、各半導体素子80は、半導体装置70の用途等によっては、FWD等の整流素子を含まない構成とすることもできる。
上記のような半導体素子80を3個用い、配線層20に所定の回路パターンを形成しておき、それら3個の半導体素子80を実装することで、インバータ回路100を有する半導体装置70を得る。
Each
The
ここでは図示を省略するが、各半導体素子80には、上記第1の実施の形態で述べた半導体素子30,40と同様、チップを封止している封止樹脂から露出する端子が設けられており、各半導体素子80は、その端子を介して配線層20に実装され、回路パターンに電気的に接続される。その際、各半導体素子80は、上記第1の実施の形態で述べた半導体素子30,40と同様、半田等の接合部材を介して配線層20上に実装される。半導体装置70の配線層20の回路パターンは、半導体素子80が実装されたときにインバータ回路100が構成されるようなパターン配置となるよう、上記図4或いは図6の例に従って形成することができる。
Although not shown here, each
上記のような構成を有する半導体素子80を用いることにより、インバータ回路100を構成する部品点数を削減することができる。それにより、小型の半導体装置70を形成することが可能になる。
By using the
また、このようなインバータ回路100を有する半導体装置70には、上記図9に示したような整流回路110、ブレーキ回路120、突入電流抑制回路130、センサ回路140、制御回路150を付加することもできる。半導体装置70では3個の半導体素子80を用いてインバータ回路100が構成されるため、整流回路110等の他の回路を付加する場合にも、その大型化を抑えることが可能になる。
Further, a
以上、半導体装置1,60,70について説明したが、これらの半導体装置1,60,70は、更に端子を設け、その端子を用いて他の回路基板に実装することができる。
図11は半導体装置の回路基板への実装形態の一例を示す図である。
Although the
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a mounting form of a semiconductor device on a circuit board.
ここでは一例として、上記第1の実施の形態に係る半導体装置1を回路基板90に実装する場合について説明する。
まず、半導体装置1には、図11(A)に示すように、回路基板90との接続に用いるピン端子2を設ける。ここでは、複数のピン端子2を設けている。各ピン端子2は、配線層20の回路パターン21の所定箇所に電気的に接続されるように、設けられている。
Here, as an example, the case where the
First, as shown in FIG. 11A, the
半導体装置1が実装される回路基板90には、所定の回路パターン(図示せず)が設けられている。更に、回路基板90には、その回路パターンに通じる位置で、実装される半導体装置1のピン端子2に対応する位置に、図11(A)に示すような、ピン端子2が挿通される貫通孔91が設けられている。
A predetermined circuit pattern (not shown) is provided on the
半導体装置1を回路基板90に実装する際には、半導体装置1のピン端子2の配設面を回路基板90の所定面に対向させ、半導体装置1のピン端子2を回路基板90の貫通孔91に挿通する。その後、貫通孔91に挿通されたピン端子2を半田付け等の方法で回路基板90に接合することで、半導体装置1が回路基板90に実装され、ピン端子2を介して回路基板90の回路パターンに電気的に接続された装置を得ることができる。
When the
尚、ここでは上記第1の実施の形態に係る半導体装置1を回路基板90に実装する場合を例示したが、上記第2,第3の実施の形態に係る半導体装置60,70も、この例と同様に回路基板90に実装することができる。即ち、半導体装置60或いは半導体装置70の配線層20の回路パターンに接続されたピン端子を設け、そのピン端子を回路基板90の貫通孔91に挿通して接合することで、半導体装置60或いは半導体装置70が回路基板90に実装された装置を得ることができる。
Although the case where the
或いは、ピン端子2の先端を予めフォーミングして屈曲部を形成しておき、この屈曲部を回路基板90の回路パターンに接合することにより、半導体装置1を面実装とすることもできる。
Alternatively, the tip of the
尚、以上の説明では、放熱部材上に、インバータ回路、又はインバータ回路を含んだ回路を形成するようにしたが、回路構成はこれに限定されるものではない。配線層の回路パターンと、その配線層に実装する半導体素子を変更することで、様々な機能を有する半導体装置を実現することが可能である。このように配線層の回路パターンと半導体素子の変更によって様々な半導体装置が実現可能であるため、様々な半導体装置の形成に迅速且つ柔軟に対応することができる。 In the above description, the inverter circuit or the circuit including the inverter circuit is formed on the heat dissipation member, but the circuit configuration is not limited to this. A semiconductor device having various functions can be realized by changing the circuit pattern of the wiring layer and the semiconductor element mounted on the wiring layer. As described above, various semiconductor devices can be realized by changing the circuit pattern of the wiring layer and the semiconductor element. Therefore, the formation of various semiconductor devices can be handled quickly and flexibly.
また、図1、図8、図10等の各例では、放熱部材10並びに配線層20を長方形に形成したが、これに限るものではない。放熱部材10上に多層の回路パターンを形成でき、この回路パターン上に半導体素子30,40が実装できればよい。半導体素子30,40の実装後にワイヤボンディングや樹脂封止の工程がないので、形状による制約がない。例えば、図11に示すように、半導体装置1が実装される回路基板90の空きスペースの形状に合わせて適宜変更することができる。
Moreover, in each example of FIG.1, FIG8, FIG.10 etc., although the
1,60,70 半導体装置
2 ピン端子
10 放熱部材
11 フィン
20 配線層
21 回路パターン
21A 回路部
21a,21c ビア
21b,21d,21e 配線
22,22a,22b,22c 絶縁層
23 ビアホール
30,40,80 半導体素子
31 IGBT
32 FWD
36 RC−IGBT
33 基板
34a,34b,34c,41a,41b 端子
37 ワイヤ
35 封止樹脂
50 接合部材
90 回路基板
91 貫通孔
100 インバータ回路
110 整流回路
120 ブレーキ回路
130 突入電流抑制回路
140 センサ回路
150 制御回路
1, 60, 70
32 FWD
36 RC-IGBT
33
Claims (8)
前記放熱部材の一方の主面上に形成され、導体層と絶縁層とからなる配線層と、
前記導体層に接続される外部導出端子と、
電流を通流及び遮断するスイッチング機能と、前記スイッチング機能に比して電流容量が小さく、前記電流を遮断する方向とは逆方向に導通する機能とを併せ持つ半導体チップを樹脂封止してなる第1の半導体素子と、
前記第1の半導体素子を駆動するための駆動回路を集積した半導体チップを樹脂封止してなる第2半導体素子と、を備え、
前記絶縁層から露出した導体層に、前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子を実装し、インバータ装置としてコンプレッサーに接続されることを特徴とする半導体装置。 A heat dissipating member;
A wiring layer formed on one main surface of the heat dissipating member, and comprising a conductor layer and an insulating layer;
An external lead terminal connected to the conductor layer;
A semiconductor chip formed by resin-sealing a semiconductor chip having both a switching function for passing and blocking current and a function for reducing current capacity compared to the switching function and conducting in a direction opposite to the direction for blocking current . 1 semiconductor element;
A second semiconductor element formed by resin-sealing a semiconductor chip on which a driving circuit for driving the first semiconductor element is integrated ,
A semiconductor device , wherein the first semiconductor element and the second semiconductor element are mounted on a conductor layer exposed from the insulating layer and connected to a compressor as an inverter device.
前記導体層に接続される外部導出端子を形成する工程と、 Forming an external lead terminal connected to the conductor layer;
電流を通流及び遮断するスイッチング機能と、前記スイッチング機能に比して電流容量が小さく、前記電流を遮断する方向とは逆方向に導通する機能とを併せ持つ半導体チップを樹脂封止してなる第1の半導体素子と、前記第1の半導体素子を駆動するための駆動回路を集積した半導体チップを樹脂封止してなる第2半導体素子と、を前記導体層に電気的に接続されるように、前記配線層上に実装する工程と、 A semiconductor chip formed by resin-sealing a semiconductor chip having both a switching function for passing and blocking current and a function for reducing current capacity compared to the switching function and conducting in a direction opposite to the direction for blocking current. A first semiconductor element and a second semiconductor element formed by resin-sealing a semiconductor chip on which a driving circuit for driving the first semiconductor element is integrated so as to be electrically connected to the conductor layer Mounting on the wiring layer;
を有し、インバータ装置としてコンプレッサーに接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 And a method of manufacturing a semiconductor device, wherein the inverter device is connected to a compressor.
前記第1の半導体素子及び前記第2の半導体素子を前記導体層に実装した状態のまま、前記外部導出端子を他の回路基板に接続することを特徴とする半導体装置の実装方法。 A method for mounting a semiconductor device, wherein the external lead-out terminal is connected to another circuit board while the first semiconductor element and the second semiconductor element are mounted on the conductor layer.
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